Trong chương trình vật lý 11, chúng ta làm quen với một chủ đề khá lạ đó là từ trường. Vậy từ trường là gì? Từ trường có những tính chất quan trọng như thế nào? Hãy cùng THPT Sóc Trăng books tìm hiểu sâu về chủ đề này cũng như những dạng bài tập liên quan trong chương trình.
Từ trường là gì?
Từ trường là môi trường vật chất bao quanh các hạt mang điện có sự chuyển động. Từ trường gây ra lực từ tác dụng lên các vật có từ tính đặt trong nó.
Một số ví dụ về từ trường trong cuộc sống dễ hiểu:
- Hai nam châm hút nhau khi chúng đặt trong vùng từ trường của nhau.
- Lực từ tác dụng xuyên qua không gian.
- Tương tác từ giữa hai dòng điện song song cùng chiều hút nhau, ngược chiều đẩy nhau.
Nhận biết từ trường
Để phát hiện từ trường có tồn tại hay không trong cuộc sống, người ta sử dụng kim nam châm để xác định. Kim nam châm trạng thái cân bằng theo hướng N – B. Do đó, ta dễ dàng nhận biết được từ trường nhờ sử dụng dụng cụ này.
Ứng dụng từ trường
Một số vật dụng quan trọng hoạt động được nhờ tính chất của từ trường gồm có:
- Máy điện quay: máy phát điện, động cơ điện và một số loại máy móc tương tự
- Máy điện tĩnh: máy biến áp [biến thế] các loại, tụ điện,…
- Các dụng cụ ứng dụng lực hút sắt của từ trường: nam châm điện trong các cần cẩu sắt thép, các cuộn dây rơ le, cuộn dây đóng mở các van điện từ… và một số dụng cụ tương tự
- Các dụng cụ đo đạc và thăm dò tín hiệu và phát tín hiệu dùng từ trường: Phải kể đến như micrô, loa: dò và phát âm thanh, các bộ cảm biến đo độ rung, độ chấn động, còi điện, chuông báo nước,…
- Các ứng dụng sử dụng lực đẩy và lực cản của từ trường với các vật chuyển động: đệm từ trường trong xe lửa cao tốc, bộ cản dịu trong các đồng hồ đo đạc…
- Khi tần số của cảm ứng từ tăng lên đến mức nào đó, nó sẽ có thể phát ra ăng ten thành các sóng điện từ. Từ các sóng điện từ này, chúng ta có Radio, TV, điện thoại di động…
- Ngoài ra từ trường còn được ứng dụng trong rất nhiều thiết bị Y Tế có ý nghĩa lớn.
Đường sức từ
Đường sức từ là các đường cong kín hoặc thẳng dài vô tận không cắt nhau trong không gian xung quanh nam châm và dòng điện. Đường sức từ là đường biểu diễn mật độ của từ trường, đường sức từ càng dày độ lớn của từ trường càng lớn và ngược lại.
Ta có qui ước chiều của đường sức từ theo hướng: Đi ra từ cực Bắc – Đi vào từ cực Nam của thanh Nam Châm tại một điểm bất kì nào đó.
Cảm ứng từ
Cảm ứng từ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng của lực từ. Nói một cách khác, cảm ứng từ là đại lượng diễn tả độ lớn của từ trường. Đơn vị của cảm ứng từ chính là Tesla [T].
Véc tơ cảm ứng từ có phương tiếp tuyến với đường sức từ tại điểm đó thì có chiều hướng từ cực nam sang cực bắc của nam châm đặt lên nó.
Từ trường đều
Từ trường có điểm chung là đặc tính có đường sức từ song song, cùng chiều với nhau và có khoảng cách đều nhau. Do đó, độ lớn của cảm ứng từ trong từ trường đều là bằng nhau ở mọi điểm.
Trắc nghiệm cảm ứng từ, đường sức từ và từ trường đều
Câu 1. Trường hợp nào bên dưới sẽ không có sự xuất hiện của từ trường
A. Một thanh nam châm và một dòng điện không đổi đặt gần nhau.
B. Hai thanh nam châm đặt gần nhau
C. Một thanh nam châm và một thanh đồng đặt gân nhau
D. Một thanh nam châm và một thanh sắt non đặt gần nhau.
Đáp án chính xác C. Một thanh nam châm và một thanh đồng đặt gân nhau. Không có sự tạo ra từ trường ở các thanh kim loại.
Câu 2. Khẳng định nào sau đây là chính xác khi nói về từ trường
A. các cực cùng tên của nam châm thì đẩy và hút
B. Hai dòng điện không đổi, đặt song song cùng chiều thì hút nhau
C. các cực khác tên của nam châm thì đẩy nhau
D. nếu cực bắc của một nam châm hút một thanh sắt thì cực nam của thanh nam châm đẩy thanh sắt
Đáp án chính xác B. Hai dòng điện không đổi, đặt song song cùng chiều thì hút nhau
Câu 3: Phân biệt đường sức từ với điện trường tĩnh, chọn đáp án đúng nhất trong các câu dưới đây
A. Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức
B. các đường sức là những đường cong khép kín [ hoặc vô hạn ở hai đầu]
C. chiều của đường sức tuân theo những quy tắc xác định
D. chỗ nào từ trường [ hay điện trường] mạnh thì vẽ các đường sức mau và chỗ nào từ trường [ hay điện trường] yếu thì vẽ các đường sức thưa.
Đáp án chính xác: Các đường sức là những đường cong khép kín [ hoặc vô hạn ở hai đầu]
Câu 4: Xung quanh vật nào dưới đây không phát ra từ trường?
A. dòng điện không đổi
B. hật mang điện chuyển động
C. Hạt mang điện đứng yên
D. nam châm chữ U
Đáp án chính xác C. Hạt mang điện đứng yên
Câu 5. Hoàn thành câu sau để trở thành một khái niệm đúng. Đường sức từ có dạng là đường thẳng, song song, cùng chiều cách đều nhau xuất hiện
A. xung quanh dòng điện thẳng
B. xung quạnh một thanh nam châm thẳng
C. trong long của một nam châm chữ U
D. xung quanh một dòng điện tròn
Đáp án chính xác C. trong long của một nam châm chữ U
Làm quen với khái niệm từ trường, đồng nghĩa với việc tiếp xúc với một số dạng toán khá khó. Các dạng toán thường xuyên được sử dụng trong các đề thi THPT quốc gia, do đó, các em không thể bỏ qua những chủ đề lý thuyết trong chuyên đề này được.
Đăng bởi: THPT Sóc Trăng
Chuyên mục: Giáo dục
TỪ TRƯỜNG
I. Nam châm
- Loại vật liệu có thể hút được sắt vụn gọi là nam châm.
- Trên một nam châm, có những miền hút sắt vụn mạnh nhất, đó là các cực của nam châm. Mỗi nam châm có hai cực: Cực Bắc [kí hiệu là N] và cực Nam [kí hiệu là S].
- Một kim nam châm nhỏ được đặt tự do và có thể quay xung quanh một trục thẳng đứng đi qua trọng tâm của kim nam châm luôn nằm định hướng theo hướng Nam - Bắc.
- Thực nghiệm chứng tỏ rằng, giữa các nam châm có tương tác với nhau thông qua các lực đặt vào các cực: Hai cực của hai nam châm đặt gần nhau sẽ đẩy nhau khi chúng cùng tên và hút nhau khi chúng khác tên.
=>Lực tương tác đó được gọi là lực từ và các nam châm được gọi là có từ tính.
- Các loại nam châm:
+ Nam châm chữ U
+ Nam châm thẳng
+ Nam châm tròn
+ Nam châm điện
II. Từ tính của dây dẫn có dòng điện
1. Thực nghiệm chứng tỏ rằng, dây dẫn có dòng điện [gọi tắt là dòng điện] cũng có từ tính như nam châm. Cụ thể là:
a] Dòng điện có thể tác dụng lên nam châm;
b] Nam châm có thể tác dụng lực lên dòng điện;
c] Hai dòng điện có thể tương tác với nhau.
2. Kết luận
- Giữa nam châm với nam châm, giữa nam châm với dòng điện, giữa dòng điện với dòng điện có sự tương tác từ.
- Dòng điện và nam châm có từ tính.
III. Từ trường
1. Xung quanh một dòng điện hay một nam châm tồn tại một từ trường. Chính từ trường này đã gây ra lực tác dụng lên một dòng điện khác hay một nam châm khác đặt trong đó.
2. Định nghĩa
Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện hay một nam châm đặt trong đó.
3. Hướng của từ trường
- Để phát hiện sự tồn tại của từ trường trong một khoảng không gian nào đó, người ta sử dụng kim nam châm nhỏ, đặt tại những vị trí bất kỳ trong khoảng không gian ấy. Kim nam châm nhỏ, dùng để phát hiện từ trường, gọi là nam châm thử.
- Quy ước: Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.
IV. Đường sức từ
Để biểu diễn về mặt hình học sự tồn tại của từ trường trong không gian, người ta đưa ra khái niệm đường sức từ.
1. Định nghĩa
- Đường sức từ là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường, sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có hướng trùng với hướng của từ trường tại điểm đó.
- Quy ước chiều của đường sức từ tại mỗi điểm là chiều của từ trường tại điểm đó.
- Có thể quan sát hình dạng của những đường sức từ bằng thí nghiệm từ phổ.
2. Các ví dụ về đường sức từ
2.1. Đặc điểm đường sức từ của nam châm thẳng:
- Bên ngoài nam châm, đường sức từ là những đường cong, hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm, có chiều đi ra từ cực bắc và đi vào cực Nam.
- Càng gần đầu thanh nam châm, đường sức càng mau hơn [từ trường càng mạnh hơn].
2.2. Đặc điểm đường sức từ của nam châm chữ U:
- Bên ngoài nam châm, đường sức từ là những đường cong có hình dạng đối xứng qua trục của thanh nam châm chữ U, có chiều đi ra từ cực Bắc và đi vao cực Nam.
- Càng gần đầu thanh nam châm, đường sức càng mau hơn [từ trường càng mạnh hơn].
- Đường sức từ của từ trường trong khoảng thời gian giữa hai cực của nam châm hình chữ U là những đường thẳng song song cách đều nhau. Từ trường trong khu vực đó là từ trường đều.
2.3. Từ trường của dòng điện thẳng rất dài
a] Các đường sức từ của dòng điện thẳng là những đường tròn nằm trong những mặt phẳng vuông góc với dòng điện và có tâm nằm trên dòng điện.
b] Có chiều được xác định bởi quy tắc nắm tay phải sau đây:
Để bàn tay phải sao cho ngón cái nằm dọc theo dây dẫn và chỉ theo chiều dòng điện, khi đó các ngón kia khum lại cho ta chiều các đường sức từ.
2.4. Từ trường của dòng điện tròn
- Các đường sức từ của dòng điện tròn đều có chiều đi vào một mặt và đi ra mặt kia của dòng điện tròn ấy.
+ Đường sức từ ở tâm dòng điện là một đường thẳng vuông góc với mặt dòng điện tròn.
+ Quy ước: mặt Nam của dòng điện tròn là mặt khi nhìn vào ta thấy dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ, còn mặt Bắc thì ngược lại.
- Các đường sức từ của dòng điện tròn có chiều đi vào mặt Nam và đi ra từ mặt Bắc của dòng điện tròn ấy.
+ Ta có thể dùng quy tắc nắm tay phải để xác định chiều của đường sức từ tại tâm của dòng điện tròn: Khum bàn tay phải sao cho chiều cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện tròn, thì ngón tay cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ đi qua tâm của dòng điện tròn.
+ Người ta có thể dùng quy tắc cái đinh ốc hoặc quy tắc vặn nút chai phải để xác định chiều đường sức từ của từ trường của một số sòng điện dạng đơn giản.
3. Các tính chất của đường sức từ
Các đường sức từ có những tính chất sau:
a] Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức từ.
b] Các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu.
c] Chiều của các đường sức từ tuân theo những quy tắc xác định [quy tắc nắm tay phải, quy tắc vào Nam ra Bắc]
d] Người ta quy ước vẽ các đường sức từ sao cho chỗ nào từ trường mạnh thì các đường sức từ mau và chỗ nào yếu thì các đường sức từ thưa.
Sơ đồ tư duy về từ trường